新型数字锁相环实现对电压信号的无差跟踪

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为获得PWM整流器的控制信号，需要利用网侧电压的相位进行坐标变换，但是在三相电网电压频率偏移时，普通锁相环存在响应速度慢、锁相精度差等缺点。本文基于坐标变换理论，提出一种通过电压矢量变换的数字信号锁相环，并将其应用在三相PWM整流器中。利用Matlab/Simulink对搭建的三相电压型PWM整流器模型进行仿真。结果证明，在三相电网电压频率偏移时，锁相环能够快速锁定输入信号的频率和相位。
　　1 三相电压型PWM整流器

　　1.1 三相电压型PWM整流器的主电路
　　图1为基于新型数字锁相环的三相电压型PWM整流器主电路，其中，ua、ub、uc代表交流侧三相电压源电压，udc为直流侧滤波电容C的输出电压，ia、ib、ic为交流
　　




　　2 新型数字锁相环的结构和控制原理
　　
                          
                       
                          
                                2.1 数字锁相环的结构

　　针对传统锁相环[7-9]的缺陷，本文提出一种基于电压矢量变换的测量方法。首先将三相电压变换到两相a-β坐标系中，然后与锁相环输出构成一个负反馈闭环控制系统，最后通过调节系统参数达到滤波锁相的目的。其电路图如图2所示。
　　




　　




　　从仿真结果可以看出数字PLL响应时间很短，系统在前两个周期时，PI调节器的超调造成了锁相环不能准确锁相，但是在t=0.035 s时，输入信号就很快与输出信号重叠，即输入信号频率相位被锁定，锁相效果良好。
                          
                       
                          
                                图4所示为整流器仿真波形，其中图4(a)为整流器网侧A相电压电流波形，可以看出，整流器很快达到单位功率因数运行。图4(b)为三相电网电压设定310 V时直流侧给定电压udc为600 V的波形。可见直流电压纹波系数很小，系统处在稳定运行状态。由此可知数字锁相算法的可行性和正确性。

　　




　　在实际运行中，还会出现三相电网电压的频率在工频50 Hz附近波动的情况。取频率偏移+0.5 Hz，电网电压310 V，给定直流电压600 V时进行仿真。
　　由图5(a)可见，普通锁相环在三相电压出现频漂时明显不能准确锁相，电流波形失真较严重。而从图5(b)可以看出新型锁相环则能快速锁定输入信号频率和相位，对电网电压频漂有良好的抑制作用。仿真实验结果验证了该新型锁相环在电压畸变时锁相的优越性。
　　




　　本文针对三相电压型PWM整流器在三相电网电压频率偏移时，普通锁相环响应速度慢、锁相精度差等缺点，提出了一种基于坐标变换的新型数字锁相环，并将其应用到三相PWM整流器系统中，实现了对电压信号的无差跟踪。这种新型锁相环实现方法简单，能够快速锁定电源电压频率和相位。仿真验证了理论分析的正确性和可行性。